碳纖維複合材料管關於纏繞成型工藝參數的分析

2021-01-10 挪恩復材

碳纖維複合材料管是複合材料中典型的先進產品,由於具有較高的比強度和比模量,此外還具有抗疲勞、高阻尼性能等優點,被廣泛應用於航天飛行器、航空等多領域中,發展潛力無限。

碳纖維纏繞成型工藝過程一般由芯膜或內襯製造、膠液配製、纖維烘烤、浸膠、固化等程序組成,想要擁有一個高質量碳纖維纏繞製品,除了嚴格按照以上步驟執行之外,還需選擇合理的纏繞工藝參數,以便充分發揮原材料特性。

1、膠液配製與浸膠

膠液含量的高低、變化及分布對碳纖維纏繞製品性能影響很大。一是直接影響對製品質量和厚度的控制,二是製品強度方面,含膠量過高會使碳纖維管制品複合強度降低,而含膠量過低,也會使碳纖維管制品孔隙增加,製品耐老化性能、氣密性及剪切性能降低,同時也會影響碳纖維強度的發揮。因此必須嚴格控制膠液含量,含量的大小須根據碳纖維管制品的使用要求而定。

2、纖維烘烤

由於碳纖維使用的浸潤劑通常都是水溶液,以及存儲不當也會吸附大量水分,碳纖維表面的這些過量游離水分不僅影響樹脂基體與碳纖維的粘合,同時也將引起應力腐蝕,並使微裂紋等缺陷進一步擴大,從而使製品老化性能和強度下降。所以碳纖維在使用前需經烘乾處理,至於烘乾程度,由碳纖維含量和紗管大小來決定。

3、纏繞張力

在碳纖維纏繞過程中,碳纖維所受的張緊力稱纏繞張力。張力大小、各條碳纖維間張力的均勻性,以及各種纏繞層碳纖維張力的均勻性,對製品質量影響極大。根據挪恩研發團隊此前進行的大量實驗數據來看,碳纖維纏繞製品的疲勞性能和強度與纏繞張力有密切關係,製品含膠量大及均勻性與纏繞張力的關係非常大。在張力施加過程中,最佳纏繞張力並不是固定的,它依芯膜結構增強材料強度、膠液粘度以及芯膜是否加熱等具體情況而定。

4、固化程度

碳纖維管的固化一般分為加熱固化和常溫固化兩種,這主要取決了樹脂系統。固化制度是保證製品充分固化的重要條件,對製品的物化性能和機械性能有著重大影響,加熱固化與常溫固化相比,可使製品強度提高20%—25%,同時還可縮短生產周期,提高生產效率。固化制度的確定主要依據樹脂系統和製品的物化性能,除此之外還需考慮製品的尺寸、結構、形狀等因素。要求高溫使用的製品應有較高的固化度,要求強度低的製品固化度適宜即可;若兼顧製品的腐蝕性、耐老化性時,固化程度也不應太低;恆溫溫度值取決於樹脂系統,主要由DTA或DSC測定的樹脂放熱曲線來確定;保溫時間則取決於兩個方面,一是熱傳時,即通過傳熱導使製品內部達到恆溫溫度所需時間,二是樹脂聚合反應所需時間。總之,確定固化制度應使樹脂達到需要固化度,病史製品各部分固化收縮均勻平衡,避免由內應力引起的分層、變形和開裂。

蘇州挪恩復材專注碳纖維材料,利用專業的複合材料CAE分析技術,為客戶評估得出碳纖維最有效使用的最佳結構方案,此外,在創新功能材料方面也擁有諸多研究成果,成立至今已多次參與中國航天科工、中國電科等軍工類企業的產品研發。

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